JP2006237391A - 研磨パッドの表面状態の評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 研磨パッド表面のスラリーに対するなじみ具合を定量的に評価できる研磨パッドの表面状態の評価方法の実現。
【解決手段】 パルス法ＮＭＲのＣＰＭＧ法により、研磨パッド13の表面の水の対象核¹Ｈの自由誘導減衰信号を観測し、自由誘導減衰信号の変化を評価する。自由誘導減衰信号を、時定数の小さな吸湿水成分による自由誘導減衰信号と、時定数の大きな自由水成分による自由誘導減衰信号とに分解し、少なくとも一方の自由誘導減衰信号の変化を評価する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体製造プロセスで、ウエハ上に形成された層の表面を化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing: CMP)する際に使用される研磨パッドの表面状態の評価方法に関する。

近年、半導体製造プロセスにおいては、ＣＭＰ装置を使用してプロセスの途中のウエハの表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）することが行われており、特許文献１などに説明されている。まず、従来のＣＭＰ装置の概略構成を簡単に説明する。

ＣＭＰ装置では、研磨パッドを貼り付けたプラテンを回転させ、研磨パッドに研磨剤（スラリー）を供給しながら、ウエハ保持機構に保持されたウエハを回転しながら研磨パッドに押し付けて研磨を行う。ＣＭＰでは、ウエハの表面に形成された絶縁膜や金属膜の層を研磨する。

図１は、ＣＭＰ装置の概略構成図である。図１に示すように、研磨パッド１３を貼り付けたプラテン１１を回転軸１２の回りに回転し、研磨パッド１３上にスラリー供給器１６からスラリー１７を供給しながら、その上にウエハ保持機構１４に保持したウエハ１０を回転させながら押し付ける。ウエハ保持機構１４は、回転軸１５の回りに回転する。

研磨パッド１３は研磨に伴って薄くなるため、ある程度の厚さになると新品の研磨パッド１３に交換される。新品の研磨パッド１３は、スラリーを保持する表面の凹凸状態やスラリーとのなじみが不十分であるため、そのままでは安定した高品質の研磨を行うことができない。そこで、新品の研磨パッド１３に置き換えた時には、図１のドレッシング装置２０により、研磨パッド１３の表面をドレッシング処理する。ドレッシング装置２０は、回転軸２２の回りに回転する円板２１を有し、円板２１の表面２３は、ダイヤモンド砥粒を含む金属で作られており、部分的にダイヤモンド砥粒が突き出した凹凸を有する。回転するドレッシング装置２０を表面２３を、研磨パッド１３の表面全体に押し付けて、研磨パッド１３の表面を目立て（ドレッシング）する。ドレッシングの後、複数枚の予備ウエハを研磨し、研磨パッドの表面がスラリーに対してなじむようにした後、通常の研磨動作が行える状態になる。また、研磨パッドは、使用に従って表面が目詰まりすることがあり、そのような場合にもドレッシング処理が行われる。

研磨パッドの表面状態は、研磨レート（研磨速度）及び研磨の均一性に大きく影響する重要な要素であるが、研磨のメカニズムは十分に解明されておらず、研磨パッドの表面状態を定性的及び定量的に評価するよい方法はなかった。そのため、研磨パッドが安定した研磨が行える状態になったかどうかは、実際にモニター用ウエハを研磨し、その研磨レートの安定状況、または所定の研磨レートに到達したかを判定して、使用可能状態になったことを判定していた。実際の研磨工程では、このようなプロセスを繰り返し行うので、それから得られるデータに基づいて、ドレッシング処理に要する時間や研磨する予備ウエハの枚数などを決定していた。また、研磨パッドの使用限界や、再ドレッシングを行う時期なども、同様に、実際の研磨工程でのデータに基づいて決定されていた。

このように、研磨パッドの表面状態の判定を伴う工程管理は、オペレータの経験や勘、またはそれまでの工程管理のデータに基づいて行われていた。しかし、経験的な方法やそれまでのデータに基づいて研磨パッドの状態を判定すると、何らかの事情で所定の研磨が行えない状態、例えば、所定の研磨レートに到達しなかった場合、研磨パッドの状態がどのように悪いのか、何が不足しているかという点について原因が不明で、問題に対処できないという事態が生じる。

このようなことから、研磨パッドの表面状態を定量的に評価し、その状態が安定した研磨を行える状態に合致しているかを判定できることが望まれている。

非特許文献１は、研磨パッドの表面状態を評価する方法を記載している。非特許文献１に記載された方法は、光学干渉法により、研磨パッドの表面粗さまたは研磨パッドのポアなどを含んだアスパリティを評価することで、表面状態を定量的に評価する。非特許文献１に記載された方法は、研磨パッド表面をドレッシングなどで荒らすことによって、研磨パッド表面がスラリーを保持する面積が大きくなり、研磨パッドとウエハの摩擦力が大きくなり、研磨のせん断力が増加するので、研磨パッド表面の研磨能力が増大するという経験に基づいている。

特開平７−５２０３２号公報 "Optical Interferometry for Surface Measurements of CMP Pads" Davis Stein, Dale Hetherington, Mike Dugger, and Tom Stout, Journal of Electronic Materials, Vol.25, No.10,1996

しかし、研磨パッドの状態を、単に表面の凹凸だけで判定するのでは、十分とはいえない。これは、研磨パッドの表面を荒らすドレッシング処理の後に、複数枚の予備ウエハを研磨することが必要であることからも明らかであると考えられる。

このような予備ウエハ研磨の必要、及び研磨パッドはスラリーを保持し、スラリーをウエハに作用させる媒介手段であるという研磨パッド本来の機能を考慮すると、研磨パッド表面のスラリーの保持性や研磨パッドに対するスラリーのなじみ具合が重要であることに、本願発明者は着目した。

しかし、研磨パッド表面のスラリーの保持性や研磨パッドに対するスラリーのなじみ具合を定量的に測定評価する方法は、これまでなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、研磨パッド表面のスラリーに対するなじみ具合を定量的に評価できる研磨パッドの表面状態の評価方法の実現を目的とする。

上記目的を実現するため、本発明の研磨パッドの表面状態の評価方法は、パルス法ＮＭＲを使用して、研磨パッド表面の状態を測定して評価する。

本発明の第１の態様の研磨パッドの表面状態は、パルス法ＮＭＲのＣＰＭＧ法により、研磨パッドの表面付近の水の対象核¹Ｈの自由誘導減衰信号を観測し、自由誘導減衰信号の変化を評価することを特徴とする。

スラリーは水と共に研磨パッドの表面に供給される。従って、スラリーが研磨パッド表面になじんだ状態では、研磨パッドの表面の材料の極性分子が水の分子と水素結合している。このような水分子を吸湿水分子と呼ぶ。一方、研磨パッドの表面には水も存在しており、水分子同士の水素結合も存在する。このような水分子同士で水素結合した水分子を自由水分子と呼ぶ。スラリーの研磨パッド表面に対するなじみ具合がよくなるに従って、研磨パッド表面における吸湿水分子の割合が増加すると考えられる。

吸湿水分子は、結合が強固で周囲の分子からの束縛を受けているため、パルス法ＮＭＲのＣＰＭＧ法により対象核¹Ｈの自由誘導減衰信号を測定すると、自由誘導減衰信号は変化が速い、すなわち緩和時間が短くなる。一方、自由水分子は束縛状態が緩いため、分子運動性が大きく、自由誘導減衰信号は変化が遅く、すなわち緩和時間が長くなる。

従って、自由誘導減衰信号の変化具合により、研磨パッド表面における吸湿水分子の量、すなわち、研磨パッド表面のスラリーに対するなじみ具合を定量的に評価できる。

上記のように、研磨パッド表面には、吸湿水分子と自由水分子が存在し、吸湿水成分による自由誘導減衰信号と自由水成分による自由誘導減衰信号の時定数は異なるので、自由誘導減衰信号を、時定数の小さな吸湿水成分による自由誘導減衰信号と、時定数の大きな自由水成分による自由誘導減衰信号とに分解する。そして、吸湿水成分による自由誘導減衰信号の変化と、自由水成分による自由誘導減衰信号の変化の一方または両方を評価する。

本発明の第２の態様の研磨パッドの表面状態は、パルス法ＮＭＲのソリッドエコー法により、研磨パッドの表面付近の対象核¹Ｈの自由誘導減衰信号を観測し、自由誘導減衰信号の変化具合を評価することを特徴とする。

スラリーがポリウレタンなどの高分子の研磨パッド表面になじんだ状態では、研磨パッドの表面は、固体結晶性成分と、固体非結晶性成分と、ゲル状成分のいずれか状態であり、なじみ具合により、各成分の割合が異なる。

パルス法ＮＭＲのソリッドエコー法により対象核¹Ｈの自由誘導減衰信号を測定すると、自由誘導減衰信号の変化は、固体結晶性成分、固体非結晶性成分、ゲル状成分の順で遅くなる。すなわち、緩和時間は、固体結晶性成分、固体非結晶性成分、ゲル状成分の順で長くなる。

従って、自由誘導減衰信号を、時定数の異なる複数の成分による自由誘導減衰信号に分解し、各成分による自由誘導減衰信号の変化の少なくとも一つを評価すれば、研磨パッドの表面状態が評価できる。

一般に、研磨パッドは円形で、研磨時には回転されるので、半径位置で表面状態が異なることが考えられる。そこで、自由誘導減衰信号の観測は、研磨パッドの回転軸を中心とする異なる複数の半径位置で行うことが望ましい。

本発明によれば、研磨パッドの表面状態を定量的に評価できるので、研磨パッドの工程管理を、より精密の行うことができる。これにより、ＣＭＰプロセスの信頼性が向上し、半導体製造工程における歩留まりを向上できる。

本発明を実施するには、パルス法ＮＭＲによる測定データと研磨パッドの表面状態の対応関係を求める必要があり、以下に説明する測定を行って対応関係を求めた。

まず、研磨パッドのサンプル作成について説明する。

図１に示すようなＣＭＰ装置において、発泡ポリウレタン製の新しい研磨パッド１３をプラテン１１に貼り付け、プラテン１１を５０ｒｐｍで回転する。そして、５分間のドレッシング処理を行った後、ウエハ保持部材１４を５０ｒｐｍで回転しながら、予備ウエハを研磨し、研磨レート（ｎｍ／分）を測定した。図２は、研磨に伴う研磨レートの変化を示す。

図２に示すように、研磨レートは呼びウエハを５０枚処理した時に２５０ｎｍ／分となり、それ以後は安定した。図２において、矢印１〜７で示す時に、研磨ウエハの表面を５０μｍ程度物理的に削り取ってサンプル１〜７とした。サンプル１は、ドレッシング処理を行う前の研磨パッドの表面のサンプルであり、サンプル２はドレッシング処理直後の研磨パッドの表面のサンプルであり、サンプル３〜７は予備ウエハを研磨した状態の研磨パッドの表面のサンプルであり、処理した予備ウエハの枚数が順に増加している。サンプル７は、５０枚の予備ウエハを処理した時の研磨パッドの表面のサンプルであり、研磨が安定的に行える状態であり、研磨パッドの表面がスラリーになじんだ状態である。

まず、第１の測定実験について説明する。

第１の測定実験では、パルス法ＮＭＲのＣＰＭＧ法で自由誘導減衰信号（ＦＩＤ:Free Induction Decay）を測定する。パルス法ＮＭＲのＣＰＭＧ法については、広く知られているのでここでは詳しい説明を省略する。

上記のサンプル１〜７を測定用試験管に入れて、その中に純水１ｍｌを加えて測定を行った。観測対象は¹Ｈ核であり、測定温度は３０°Ｃであり、９０°パルス印加時間は２．０μｓ、分子運動の相関時間τｃは１．０ｍｓであり、観測時間は６．０秒であり、反復回数は１６回である。

図３は、上記の各サンプルのＦＩＤの測定結果を示す。なお、比較のために純水のみをサンプル１０として測定した。図３の結果から、純水のみの場合は、ＦＩＤは緩やかに減衰することが分かる。また、予備ウエハの研磨枚数が多いほど、すなわち研磨レートが増加するに従って、緩和初期の減衰が急であるという傾向がある。矢印は、この変化の方向を示す。

このような変化の傾向は、研磨パッドの表面には、研磨パッドの表面の材料の極性分子が水の分子と水素結合した吸湿水分子と、水分子同士が水素結合した自由水分子が存在し、研磨レートが増加するに従って、研磨パッド表面における吸湿水分子の割合が増加するためであると考えられる。

図４は、上記の結果をより一般化して示したグラフである。グラフ３１は吸湿水分子による自由誘導減衰信号を、グラフ３２は自由水分子による自由誘導減衰信号を、グラフ３３は、グラフ３１と３２を合わせたＦＩＤ信号を示す。吸湿水分子は、周囲からの束縛が大きいため、自由誘導減衰信号は変化が速い。自由水分子は、束縛状態が緩いため、自由誘導減衰信号は変化が遅い。研磨パッド表面には、吸湿水分子と自由水分子が存在し、２つの自由誘導減衰信号を合わせた信号がＦＩＤ信号として得られる。

従って、ＦＩＤ信号Ａ（ｔ）は、次の近似式で表せる。

Ａ（ｔ）＝Ａ₁ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ_2,1CP）＋Ａ₂ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ_2,2CP）
式の前半が吸湿水成分を、式の後半が自由水成分を示す。

図３に示す各サンプルのグラフから、最小誤差法により、上記の式の各係数（成分割合Ａ₁、Ａ₂、及び緩和時間Ｔ_2,1CP、Ｔ_2,2CP）を求めることができる。

図５は、上記の測定結果の各サンプルについて、上記の式における係数を求め、サンプル番号に対する各係数の変化を示したグラフであり、（Ａ）は緩和時間Ｔ_2,1CPを、（Ｂ）は成分割合Ａ₁を、（Ｃ）は緩和時間Ｔ_2,2CPを、（Ｄ）は成分割合Ａ₂を示す。

図５から、研磨した予備ウエハの枚数が多いほど、吸湿水成分、自由水成分ともに緩和時間が短くなる。また、研磨した予備ウエハ１０枚あたりで減少する吸湿水成分の緩和時間は、５２μｓであった。同様に、研磨した予備ウエハ１０枚あたりで減少する自由水成分の緩和時間は、０．３２ｍｓであった。更に、自由水に対する吸湿水の割合もわずかであるが増大している。これは、研磨パッドによる予備ウエハの研磨に従って、研磨パッドの材料分子に吸着する水分子が増加し、研磨パッドに対するスラリーのなじみ具合が進行したことによる。

更に、上記の式の各係数（成分割合Ａ₁、Ａ₂、及び緩和時間Ｔ_2,1CP、Ｔ_2,2CP）と研磨レートを関係付けることも可能である。

図６は、緩和時間Ｔ_2,1CPの変化に対する研磨レートの変化を示す図であり、その関係が図示のような式で表せる。例えば、上記のサンプル作製時の研磨状況の確認から、２７５ｎｍ／ｍｉｎ以上の研磨レートであれば正常な研磨が行えることを確認した場合、緩和時間が２８９．５μｓ以下であればよいことになる。従って、２８９．５μｓを境界値として、緩和時間Ｔ_2,1CPがこの境界値以下であれば、予備ウエハの研磨を終了すると判定できる。

上記の判定基準は、上記の式の他の係数や割合の比についてもそれぞれ設定可能であり、同様に研磨パッドの表面状態がしよう可能な状態であるか判定することができる。

次に、第２の測定実験について説明する。

第２の測定実験では、パルス法ＮＭＲのソリッドエコー法でＦＩＤ信号を測定する。パルス法ＮＭＲのソリッドエコー法については、広く知られているのでここでは詳しい説明を省略する。

前述のサンプル１〜７について測定を行った。観測対象は¹Ｈ核であり、測定温度は３０°Ｃであり、９０°パルス印加時間は２．０μｓ、分子運動の相関時間τｃは８．０μｓであり、観測時間は１．０秒であり、反復回数は３２回である。

図７は、あるサンプルのＦＩＤ信号を示す図である。図示のように、このＦＩＤ信号Ｍ（ｔ）は、固体結晶性成分、固体非結晶性成分、及びゲル状成分の自由誘導減衰信号を合成したものであり、次の近似式で表せる。

Ｍ（ｔ）＝M₁exp(-(1/2)t²/T_2,1)+M₂exp(-t/T_2,2)+M₃exp(-t/T_2,3)
第１項が固体結晶性成分、第２項が固体非結晶性成分、第３項がゲル状成分に対応する。

図７に示すグラフから、最小誤差法により、上記の式の各係数（成分割合Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃、及び緩和時間Ｔ_2,1、Ｔ_2,2、Ｔ_2,3）を求めることができる。

そして、上記の式の各係数（成分割合Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃、及び緩和時間Ｔ_2,1、Ｔ_2,2、Ｔ_2,3）と研磨レートを関係付けることも可能である。

図８は、初期状態のサンプル２と使用可能な状態のサンプル７における成分割合Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃の変化を示す図であり、（Ａ）がサンプル２の成分割合を示し、（Ｂ）がサンプル７の成分割合を示す。

初期状態の研磨パッドは、材料の分子の観点から考えると、研磨パッドの表面のスラリーがなじんでいないため、固体結晶性成分の割合が多くなる。これに対して、多数枚の予備ウエハの研磨処理を行った状態では、スラリーの水分子がウレタン樹脂の極性分子と結び付いて、一部水和状態なるので、固体結晶性成分の割合が減少し、ゲル状成分の割合が増加する。

従って、例えば、固体結晶性成分の割合が２０％以下になるといった判定基準や、ゲル状成分の割合が６０％以上になるといった判定基準を定めて、予備ウエハの研磨終了を判定することができる。

以上本発明を適用するための測定実験及びそれに基づく判定方法を説明したが、実際に行うには各種の変形例が可能である。例えば、サンプルの作製を、研磨パッドの複数の異なる半径位置及び異なる方向において行い、複数のサンプルを作製して測定を行うことも可能である。これにより、研磨パッドの位置による表面状態の差を検出できる。

以上説明したように、本発明によれば、研磨パッドの表面状態を定量的に評価できるようになるので、ＣＭＰ工程における作業基準（レシピ）作成の品質を向上させて歩留まりを向上させることができ、更にＣＭＰ工程において問題が発生した時に、問題の所在を迅速に把握して解決できるようになる。

ＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施例におけるサンプル作製を説明する図である。 第１の測定実験により得られたＦＩＤ信号を示す図である。 第１の測定実験により得られるＦＩＤ信号の近似式を説明する図である。 サンプル番号に対する近似式の各係数の変化を示す図である。 近似式の１つの係数（吸湿成分の緩和時間）と研磨レートの関係を示す図である。 第２の測定実験により得られたＦＩＤ信号を示す図である。 第２の測定実験により得られたＦＩＤ信号から求めた成分割合の変化を示す図である。

符号の説明

１０ ウエハ
１１ プラテン
１３ 研磨パッド
１７ スラリー
２０ ドレッシング装置

Claims (12)

1. ウエハを研磨するために、研磨剤を供給しながら前記ウエハに対して相対的に摺動される研磨パッドの表面状態の評価方法であって、
   パルス法ＮＭＲのＣＰＭＧ法により、前記研磨パッドの表面の水の対象核¹Ｈの自由誘導減衰信号を観測し、前記自由誘導減衰信号の変化を評価することを特徴とする研磨パッドの表面状態の評価方法。
2. 前記自由誘導減衰信号を、時定数の小さな吸湿水成分による自由誘導減衰信号と、時定数の大きな自由水成分による自由誘導減衰信号とに分解し、前記吸湿水成分による自由誘導減衰信号の変化と、前記自由水成分による自由誘導減衰信号の変化の少なくとも一方を評価する請求項１に記載の表面状態の評価方法。
3. 前記吸湿水成分による自由誘導減衰信号の時定数と、前記自由水成分による自由誘導減衰信号の時定数の少なくとも一方に基づいて評価を行う請求項２に記載の研磨パッドの表面状態の評価方法。
4. 前記吸湿水成分による自由誘導減衰信号の全体に対する割合及び前記自由水成分による自由誘導減衰信号の全体に対する割合の少なくとも一方に基づいて評価を行う請求項２に記載の研磨パッドの表面状態の評価方法。
5. 前記吸湿水成分による自由誘導減衰信号の全体に対する割合及び前記自由水成分による自由誘導減衰信号の全体に対する割合の比率に基づいて評価を行う請求項４に記載の研磨パッドの表面状態の評価方法。
6. ウエハを研磨するために、研磨剤を供給しながら前記ウエハに対して相対的に摺動される研磨パッドの表面状態の評価方法であって、
   パルス法ＮＭＲのソリッドエコー法により、前記研磨パッドの表面の対象核¹Ｈの自由誘導減衰信号を観測し、前記自由誘導減衰信号の変化具合を評価することを特徴とする研磨パッドの表面状態の評価方法。
7. 前記自由誘導減衰信号を、時定数の異なる複数の成分による自由誘導減衰信号に分解し、各成分による自由誘導減衰信号の変化の少なくとも一つを評価する請求項６に記載の研磨パッドの表面状態の評価方法。
8. 前記複数の成分は、もっとも時定数の小さい自由誘導減衰信号を生成する固体結晶性成分と、中位の時定数の自由誘導減衰信号を生成する固体非結晶性成分と、もっとも時定数の大きい自由誘導減衰信号を生成するゲル状成分である請求項７に記載の研磨パッドの表面状態の評価方法。
9. 前記固体結晶性成分による自由誘導減衰信号の時定数と、前記固体非結晶性成分による自由誘導減衰信号の時定数と、前記ゲル状成分による自由誘導減衰信号の時定数の少なくとも一つに基づいて評価を行う請求項８に記載の研磨パッドの表面状態の評価方法。
10. 前記固体結晶性成分による自由誘導減衰信号の全体に対する割合、前記固体非結晶性成分による自由誘導減衰信号の全体に対する割合、及び前記ゲル状成分による自由誘導減衰信号の全体に対する割合の少なくとも一つに基づいて評価を行う請求項８に記載の研磨パッドの表面状態の評価方法。
11. 前記固体結晶性成分による自由誘導減衰信号の全体に対する割合、前記固体非結晶性成分による自由誘導減衰信号の全体に対する割合、及び前記ゲル状成分による自由誘導減衰信号の全体に対する割合の比率に基づいて評価を行う請求項１０に記載の研磨パッドの表面状態の評価方法。
12. 前記研磨パッドは円形で、研磨時には回転され、
    前記自由誘導減衰信号の観測は、前記研磨パッドの回転軸を中心とする異なる複数の半径位置で行われる請求項１から１１のいずれか１項に記載の研磨パッドの表面状態の評価方法。

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